高寒地区风沙对CRH5A 动车组受电弓碳滑板磨耗的影响及防护措施

一、风沙对CRH5A 动车组碳滑板磨耗的影响

1.1 风沙颗粒特性

风沙颗粒的特性分析显示，它对碳滑板磨耗有着直接的影响，风沙颗粒大多由石英、长石、方解石之类的矿物构成，硬度比较高，而且形状不太规则。有关研究显示，风沙颗粒的硬度可以达到莫氏硬度 6-7 级，这就使得它们在风力推动下对碳滑板表面展开强烈的磨削作用，拿风沙颗粒粒径分布的研究来说，粒径处于 0.1～0.5 毫米之间的颗粒占风沙总量的 60% 以上，这些颗粒在高速运动的时候，对碳滑板的磨耗作用就特别明显。风沙颗粒的不规则形状加大了磨耗的复杂程度，风沙颗粒与碳滑板表面相接触时，会产生线性磨耗，也会造成点蚀、沟槽等局部损伤。

1.2 碳滑板磨耗机理

风沙颗粒的硬度、大小、形状以及速度直接影响碳滑板的磨损程度，比如硬度较大的石英颗粒以高速撞击碳滑板表面时，就像砂纸一样刮削碳滑板表面，造成碳滑板表面出现划痕和凹坑。相关研究显示，风沙颗粒的平均粒径处于 0.1mm 到 0.5mm 之间的时候，对碳滑板的磨耗效果最明显，而且风沙环境中的碳滑板磨耗案例表明，碳滑板的磨损速率同风沙的季节性变化有关，春季和秋季风速较大，碳滑板的磨损速率加快。

1.3 风沙环境下碳滑板磨耗案例

在高寒风沙环境中，CRH5A 动车组的碳滑板遭遇着极为严峻的磨耗考验。拿极端风沙天气来说，碳滑板的磨耗速度急剧上升，按照数据表明，在风速达到每秒 15 米的情况下，碳滑板的平均磨耗量比正常环境多出了 30% ，这种现象同风沙颗粒的特性有着紧密联系。风沙颗粒的硬度，粒径分布情况以及风沙携带量等要素共同施加在碳滑板表面，致使碳滑板表面产生不规则的磨损沟槽并出现局部剥落。按照爱因斯坦的扩散理论，风沙颗粒在高速运动时对碳滑板表面的冲击可看作是一种扩散过程，其磨损程度同风沙颗粒的动能成正比关系。

二、碳滑板磨耗对动车组性能的影响

2.1 碳滑板磨耗对电气性能的影响

高寒风沙环境下，CRH5A 动车组碳滑板磨耗对电气性能的影响比较突出，风沙颗粒的侵蚀使碳滑板表面慢慢变得粗糙，这会使接触电阻变大。有关研究显示，碳滑板表面粗糙度每增添 0.1 微米，接触电阻大概会增多 5% 到 10% ，电阻增大之后，电流的传送效率就会降低，而且也会引发局部过热现象，进而干扰动车组的电气系统稳定情况。极端风沙天气过后，检测到 CRH5A 动车组的碳滑板表面粗糙度增添了 0.2 微米，接触电阻提升了 12% ，影响到了牵引电机的正常运作，动车组的加速性能变差，运行效率下降。碳滑板磨耗还致使电弧放电愈发严重，电弧放电不但会使碳滑板的磨损速度加快，而且会对电气设备产生损坏。在风沙环境下，因为风沙带起并撞击，电弧放电的频率与强度均有所增长，按照一项模拟实验，风沙环境下的电弧放电次数比无风沙环境多出 30% 以上，这既提升了维护成本，又也许会给动车组的电气系统带来无法逆转的损害。

2.2 碳滑板磨耗对机械性能的影响

在高寒风沙环境下，CRH5A 动车组的碳滑板磨耗对机械性能的影响非常明显，风沙颗粒的侵蚀作用会使碳滑板表面慢慢失去原有的光滑程度，造成接触电阻变大，从而影响电流的稳定传输。有研究表明，碳滑板的磨耗量每多出 1毫米，接触电阻大概会增多 10%～20% ，这样既加大了电能的耗费，又使得机械部件过热，缩短了维护时间。对 CRH5A 动车组展开长期跟踪显示，当碳滑板磨耗超出设计极限的 30% 的时候，动车组的牵引效率就下降了大约 5%，而且机械部件的磨损速度也加快了，维修费用明显增多。

2.3 碳滑板磨耗对行车安全的影响

在高寒风沙环境中，CRH5A 动车组碳滑板磨耗对运行安全形成很大威胁，风沙颗粒的侵蚀使碳滑板表面慢慢变得粗糙，从而加大接触电阻，影响电流稳定传输。按照相关研究，碳滑板磨耗量每增加 1 毫米，接触电阻大概会提升

10% 到 20% ，这既加重了能耗，又也许引发电弧放电，给动车组电气系统带来损害。在极端情形下，磨耗严重的碳滑板甚至可能会致使供电中断，造成列车紧急制动或者停驶，严重危害行车安全。2018 年 CRH5A 动车组在高寒风沙地区运行的时候，因为碳滑板磨耗引发的接触不良，就曾经出现过供电中断的情况，好在列车乘务人员及时采取了应急措施，才免除可能产生的严重后果。

碳滑板磨耗对动车组机械性能也存在间接影响，从而影响运行安全。碳滑板磨耗造成的形状改变和尺寸偏差，会使碳滑板与接触网的接触压力分布不均匀，增加机械磨损和振动，长期下去会导致接触网和碳滑板过度磨损，甚至发生机械故障。

三、防护措施的创新与优化建议

3.1 防护材料的创新研究

高寒风沙环境下，CRH5A 动车组碳滑板磨耗问题比较突出，这既影响动车组运行效率，又可能威胁行车安全，针对这种情况，防护材料的创新研究就显得十分重要。利用纳米技术，可以创造出更耐磨、更易自我修复的复合材料，以此来削减风沙对碳滑板造成的磨损。研究人员已经研制出一种带有纳米颗粒的涂层材料，在实验室测试当中，这种材料表现出的耐磨性比传统材料高出了 30% ，而且借助模仿高寒风沙环境下的磨耗状况，能够形成精准的磨耗模型，进而预估各类防护材料在实际应用时的表现。

3.2 防护结构的优化设计

在高寒风沙环境中，CRH5A 动车组碳滑板的防护结构优化设计变得极为关键，按照风沙颗粒的特点，防护结构设计要采用先进的材料科学和技术手段，以此来削减风沙对碳滑板造成的磨损。比如应用纳米复合材料，能明显提升防护层的耐磨损能力和抵御冲击的能力，据有关研究，纳米材料凭借其特有的微观结构，可以有效地分散应力，进而延长碳化板的使用寿命。防护结构设计还要考虑到风沙颗粒的大小分布情况，通过模拟风沙侵蚀的过程，构建起相应的力学模型，用来预估和评判防护结构在不同风沙条件下的表现。如某动车组采用了改良过的防护结构之后，碳滑板的磨耗率下降了 30% ，动车组的运行效率和安全系数得到了明显的改善。

3.3 防护措施的实施与维护方案

在高寒风沙环境中，CRH5A 动车组碳滑板的磨损现象比较突出，所以施行有效的保护手段和守护策略就变得十分关键，首先应该针对风沙环境展开深入剖析，选用耐磨损的防护材料，比如采用纳米技术处理过的表面涂层，能够改进碳滑板的耐久程度，从而延长它的使用寿命。其第一防护结构进行优化设计，可参照流体力学原理，设计出能够分散风沙冲击力的防护罩，以减轻风沙对碳滑板的直接冲击。同时防护措施的执行与保护策略要同动车组的运行周期相联系，定时展开检查并替换磨损部分，保证防护措施切实有效。

参考文献：

[1] 赵刚 ， 贾亚丽 . 动车组受电弓布置准则及连接强度研究 [J]. 智慧轨道交通 ，2024，61（5）：6-9.

[2] 黄翎峰 ， 曾旭 . 高速动车组受电弓故障智能诊断技术及应用研究 [J].中国科技纵横 ，2024（16）：95-97.